OLED显示技术介绍.docx
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1、OLED 显示技术介绍第一节、概述OLED,即有机发光二极管Organic Light-Emitting Diode,又称为有机电激光显示Organic El ectroluminesence Display, OELD。由于具备轻薄、省电等特性,因此从2023 年开头,这种显示设备在MP3 播放器上得到了广泛应用,而对于同属数码类产品的DC 与手机,此前只是在一些展会上呈现过承受 O LED 屏幕的工程样品,还并未走入实际应用的阶段。但OLED 屏幕却具备了很多 LCD 不行比较的优势,因此它也始终被业内人士所看好。OLED 显示技术与传统的LCD 显示方式不同,无需背光灯,承受格外薄的有机
2、材料涂层和玻璃基板,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。而且OLED 显示屏幕可以做得更轻更薄,可视角度更大,并且能够显著节约电能。目前在 OLED 的二大技术体系中,低分子 OLED 技术为日本把握,而高分子的 PLEDLG 手机的所谓OEL 就是这个体系,技术及专利则由英国的科技公司 CDT 把握,两者相比 PLED 产品的彩色化上仍有困难。而低分子 OLED 则较易彩色化,不久前三星就公布了 65530 色的手机用OLED。不过,虽然将来技术更优秀的OLED 会取代TFT 等 LCD,但有机发光显示技术还存在使用寿命短、屏幕大型化难等缺陷。目前承受OLED 的主要是三星如上市的SCH-
3、X339 就承受了 256 色的OLED,至于OEL 则主要被 LG 承受在其CU8180 8280 上我们都有见到。为了形像说明 OLED 构造,可以将每个OLED 单元比做一块汉堡包,发光材料就是夹在中间的蔬菜。每个 OLED 的显示单元都能受把握地产生三种不同颜色的光。OLED 与 LCD 一样,也有主动式和被动式之分。被动方式下由行列地址选中的单元被点亮。主动方式下,OLED 单元后有一个薄膜晶体管TFT,发光单元在 TFT 驱动下点亮。主动式的OLED 比较省电,但被动式的OLED 显示性能更佳。其次节、OLED 的构造、原理OLED 的根本构造是由一薄而透亮具半导体特性之铟锡氧化物
4、(ITO),与电力之正极相连,再加上另一个金属阴极,包成如三明治的构造。整个构造层中包括了:电洞传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(E TL)。当电力供给至适当电压时,正极电洞与阴极电荷就会在发光层中结合,产生光亮,依其配方不同产生 红、绿和蓝RGB 三原色,构成根本颜色。OLED 的特性是自己发光,不像TFT LCD 需要背光,因此可视度和亮度均高,其次是电压需求低且省电效率高,加上反响快、重量轻、厚度薄,构造简洁,本钱低等,被视为 21 世纪最具前途的产品之一。有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相像。当元件受到直流电Direct Current;DC所衍生的顺向偏压时,外加
5、之电压能量将驱动电子Electron与电洞Hole分别由阴极与阳极注入元件, 当两者在传导中相遇、结合,即形成所谓的电子-电洞复合Electron-Hole Capture。而当化学分子受到外来能量激发後,假设电子自旋Electron Spin和基态电子成对,则为单重态Singlet,其所释放的光为所谓的萤光Fluorescence;反之,假设激发态电子和基态电子自旋不成对且平行,则称为三重态Triplet,其所释放的光为所谓的磷光Phosphorescence。当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时,其能量将分别以光子Light Emission或热能Heat Dissipation的
6、方式放出,其中光子的局部可被利用当作显示功能;然有机萤光材料在室温下并无法观测到三重态的磷光,故 PM-OLED 元件发光效率之理论极限值仅 25%。PM-OLED 发光原理是利用材料能阶差,将释放出来的能量转换成光子,所以我们可以选择适当的材料当作发光层或是在发光层中掺杂染料以得到我们所需要的发光颜色。此外,一般电子与电洞的结合反响均在数十纳秒ns内,故PM-OLED 的应答速度格外快。P.S.:PM-OLEM 的典型构造。典型的PM-OLED 由玻璃基板、ITOindium tin oxide;铟锡氧化物阳极Anode、有机发光层Emitting Material Layer与阴极Cath
7、ode等所组成,其中,薄而透亮的ITO 阳极与金属阴极如同三明治般地将有机发光层包夹其中,当电压注入阳极的电洞Hole与阴极来的电子Electron在有机发光层结合时,激发有机材料而发光。而目前发光效率较佳、普遍被使用的多层 PM-OLED 构造,除玻璃基板、阴阳电极与有机发光层外,尚需制作电洞注入层Hole Inject Layer;HIL、电洞传输层Hole Transport Layer;HTL、电子传输层Electron Transport Layer;ETL与电子注入层Electron Inject Layer;EIL等构造,且各传输层与电极之间需设置绝缘层,因此热蒸镀Evapora
8、te加工难度相对提高,制作过程亦变得简洁。由于有机材料及金属对氧气及水气相当敏感,制作完成後,需经过封装保护处理。PM-OLED 虽需由数层有机薄膜组成,然有机薄膜层厚度约仅 1,0001,500A0.100.15 um,整个显示板Panel在封装加枯燥剂Desiccant後总厚度不及 200um2mm,具轻薄之优势。第三节、有机发光材料的选用有机材料的特性深深地影响元件之光电特性表现。在阳极材料的选择上,材料本身必需是具高功函数High work function与可透光性,所以具有 4.5eV-5.3eV 的高功函数、性质稳定且透光的ITO 透亮导电膜,便被广泛应用于阳极。在阴极局部,为了
9、增加元件的发光效率,电子与电洞的注入通常需要低功函数Low work function的 Ag、Al、Ca、In、Li 与 Mg 等金属,或低功函数的复合金属来制作阴极例如: Mg-Ag 镁银。适合传递电子的有机材料不愿定适合传递电洞,所以有机发光二极体的电子传输层和电洞传输层必需选用不同的有机材料。目前最常被用来制作电子传输层的材料必需制膜安定性高、热稳定且电子传输性佳, 一般通常承受萤光染料化合物。如 Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT 等。而电洞传输层的材料属于一种芳香胺萤光化合物,如 TPD、TDATA 等有机材料。有机发光层的
10、材料须具备固态下有较强萤光、载子传输性能好、热稳定性和化学稳定性佳、量子效率高且能够真空蒸镀的特性,一般有机发光层的材料使用通常与电子传输层或电洞传输层所承受的材料一样, 例如 Alq 被广泛用于绿光,Balq 和 DPVBi 则被广泛应用于蓝光。一般而言,OLED 可按发光材料分为两种:小分子OLED 和高分子OLED也可称为PLED。小分子OLE D 和高分子 OLED 的差异主要表现在器件的制备工艺不同:小分子器件主要承受真空热蒸发工艺,高分子器件则承受旋转涂覆或喷涂印刷工艺。小分子材料厂商主要有:Eastman、Kodak、出光兴产、东洋INK 制造、三菱化学等;高分子材料厂商主要有:
11、CDT、Covin、Dow Chemical、住友化学等。目前国际上与OLED 有关的专利已经超过 1400 份,其中最根本的专利有三项。小分子OLED 的根本专利由美国Kodak 公司拥有,高分子 OLED 的专利由英国的CDTCambridge DisPlay Technology和美国的Uniax 公司拥有。第四节、OLED 关键工艺一、氧化铟锡(ITO)基板前处理(1) ITO 外表平坦度:ITO 目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造,其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言,利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的ITO,易受工艺把握因素不良而导致外表不平坦,
12、进而产生外表的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生外表约10 30nm 的突起层。这些不平坦层的细粒之间所形成的路径会供给空穴直接射向阴极的时机,而这些错综简洁的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这外表层的影响?U 一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流,此方法多用于 PLED 及空穴层较厚的OLED(200nm)。二是将ITO 玻璃再处理,使外表光滑。三是使用其它镀膜方法使外表平坦度更好。(2) ITO 功函数的增加:当空穴由ITO 注入HIL 时,过大的位能差会产生萧基能障,使得空穴不易注入,因此如何降低 ITO / HIL 接口的位能差则成为 ITO 前
13、处理的重点。一般我们使用O2-Plasma 方式增加ITO 中氧原子的饱和度,以到达增加功函数之目的。ITO 经O2-Plasma 处理后功函数可由原先之 4.8eV 提升至 5.2eV,与 HIL 的功函数已格外接近。参与关心电极,由于 OLED 为电流驱动组件,当外部线路过长或过细时,于外部电路将会造成严峻之电压梯度,使真正落于 OLED 组件之电压下降,导致面板发光强度削减。由于ITO 电阻过大(10 ohm / squar e),易造成不必要之外部功率消耗,增加一关心电极以降低电压梯度成了增加发光效率、削减驱动电压的快捷方式。铬(Cr:Chromium)金属是最常被用作关心电极的材料,
14、它具有对环境因子稳定性佳及对蚀刻液有较大的选择性等优点。然而它的电阻值在膜层为 100nm 时为 2 ohm / square,在某些应用时仍属过大, 因此在一样厚度时拥有较低电阻值的铝(Al:Aluminum)金属(0.2 ohm / square)则成为关心电极另一较佳选择。但是,铝金属的高活性也使其有信任性方面之问题因此,多叠层之关心金属则被提出,如:Cr / A l / Cr 或Mo / Al / Mo,然而此类工艺增加简洁度及本钱,故关心电极材料的选择成为OLED 工艺中的重点之一。二、阴极工艺在高解析的 OLED 面板中,将微小的阴极与阴极之间隔离,一般所用的方法为蘑菇构型法(Mu
15、shroom s tructure approach),此工艺类似印刷技术的负光阻显影技术。在负光阻显影过程中,很多工艺上的变异因子会影响阴极的品质及良率。例如,体电阻、介电常数、高区分率、高Tg、低临界维度(CD)的损失以及与 ITO 或其它有机层适当的黏着接口等。三、封装 吸水材料:一般 OLED 的生命周期易受四周水气与氧气所影响而降低。水气来源主要分为两种:一是经由外在环境渗透进入组件内,另一种是在 OLED 工艺中被每一层物质所吸取的水气。为了削减水气进入组件或排解由工艺中所吸附的水气,一般最常使用的物质为吸水材(Desiccant)。Desiccant 可以利用化学吸附或物理吸附的
16、方式捕获自由移动的水分子,以到达去除组件内水气的目的。 工艺及设备开发:封装工艺之流程如图四所示,为了将 Desiccant 置于盖板及顺当将盖板与基板黏合,需在真空环境或将腔体充入不活泼气体下进展,例如氮气。值得留意的是,如何让盖板与基板这两局部工艺连接更有效率、削减封装工艺本钱以及削减封装时间以达最正确量产速率,已俨然成为封装工艺及设备技术进展的 3 大主要目标。第五节、OLED 的形色化技术显示器全彩色是检验显示器是否在市场上具有竞争力的重要标志,因此很多全彩色化技术也应用到了OLED 显示器上,按面板的类型通常有下面三种:RGB 象素独立发光,光色转换(Color Conversion
17、)和彩色滤光膜(Color Filter)。一、RGB 象素独立发光利用发光材料独立发光是目前承受最多的彩色模式。它是利用周密的金属荫罩与 CCD 象素对位技术, 首先制备红、绿、蓝三基色发光中心,然后调整三种颜色组合的混色比,产生真彩色,使三色OLED 元件独立发光构成一个象素。该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率,同时金属荫罩刻蚀技术也至关重要。目前,有机小分子发光材料 AlQ3 是很好的绿光发光小分一于材料,它的绿光色纯度,发光效率和稳定性都很好。但OLED 最好的红光发光小分子材料的发光效率只有 31m/W,寿命 1 万小时,蓝色发光小分子材料的进展也是很慢和很困难的。有机
18、小分子发光材料面临的最大瓶颈在于红色和蓝色材料的纯度、效率与寿命。但人们通过给主体发光材料掺杂,已得到了色纯度、发光效率和稳定性都比较好的蓝光和红光。高分子发光材料的优点是可以通过化学修饰调整其发光波长,现已得到了从蓝到绿到红的掩盖整个可见光范围的各种颜色,但其寿命只有小分子发光材料的格外之一,所以对高分子聚合物,发光材料的发光效率和寿命都有待提高。不断地开发出性能优良的发光材料应当是材料开发工作者的一项困难而长期的课题。随着 OLED 显示器的彩色化、高区分率和大面积化,金属荫罩刻蚀技术直接影响着显示板画面的质量, 所以对金属荫罩图形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。二、光色转换光色转
19、换是以蓝光 OLED 结合光色转换膜阵列,首先制备发蓝光OLED 的器件,然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光,从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。这种技术不需要金属荫罩对位技术,只需蒸镀蓝光 OLED 元件,是将来大尺寸全彩色OLED 显示器极具潜力的全彩色化技术之一。但它的缺点是光色转换材料简洁吸取环境中的蓝光,造成图像比照度下降,同时间导也会造成画面质量降低的问题。目前把握此技术的日本出光兴产公司已生产出 10 英寸的OLED 显示器。三、彩色滤光膜此种技术是利用白光 OLED 结合彩色滤光膜,首先制备发白光 OLED 的器件,然后通过彩色滤光膜得到
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